專利名稱：高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)錄取授時技術(shù)領(lǐng)域，一種基于GPS授時技術(shù)的小型化高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀。

背景技術(shù)：
目前，在進行各種粗、高精度民用雷達、航空管制雷達、精密跟蹤雷達以及光電跟蹤設(shè)備的動態(tài)精度試驗時，為敘述方便，上述設(shè)備，以下簡稱被錄取設(shè)備，既要獲得空中或地面目標(biāo)精確的動態(tài)位置數(shù)據(jù)，也要獲得被錄取設(shè)備輸出的測量數(shù)據(jù)，而且這兩種數(shù)據(jù)獲取，根據(jù)被錄取設(shè)備精度要求的不同，需要保持不同精度上的時間同步，只有同步后的數(shù)據(jù)，才能夠按一定要求進行數(shù)據(jù)對齊，求誤差等處理，得出被錄取設(shè)備的搜索或跟蹤精度，以決策被錄取設(shè)備能否滿足精度指標(biāo)要求。
在測試過程中，通常需要動用光電經(jīng)緯儀和精測雷達等大型真值測量設(shè)備，實時、精確地測量空中或地面目標(biāo)的動態(tài)位置，隨著被測試系統(tǒng)的搜索和跟蹤作用距離不同，光電經(jīng)緯儀、精測雷達和被測試系統(tǒng)需要分布在數(shù)公里、數(shù)十公里、甚至上百公里的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的同步方法通常采用同步控制裝置，通過有線連接，同步脈沖信號觸發(fā)等方式，控制真值數(shù)據(jù)以及被錄取設(shè)備數(shù)據(jù)的同步錄取，其缺點是設(shè)備量大、操作復(fù)雜；在采樣頻率高、測試數(shù)據(jù)流量較大、試驗點位布站地域廣時，無法傳遞同步信號或同步信號延遲大，使精度指標(biāo)的測量受到限制。


發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是設(shè)計和實現(xiàn)一種基于GPS授時技術(shù)的小型化高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，該授時儀器使用攜帶方便，在任何有GPS衛(wèi)星信號的地域均能工作，用于對時統(tǒng)精度要求不高于1×10-4秒、提供異步串行測試接口且通信速率不高于38400bps、測試幀長度固定的真值設(shè)備或被測設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的錄取。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，由GPS授時板通過GPS天線接收GPS衛(wèi)星信息并進行解算，得到符合GPS授時板精度的秒脈沖信息和絕對時間信息，傳遞給錄取控制板；錄取控制板通過通信電纜分別連接被錄取設(shè)備和用戶數(shù)據(jù)收集計算機； 所述的錄取控制板，用于接收秒脈沖信息和絕對時間信息，并校正控制板的內(nèi)部時鐘，保持控制板與絕對時的嚴(yán)格同步； 所述的錄取控制板，遵循通信協(xié)議接收用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送的命令，向用戶數(shù)據(jù)收集計算機反饋GPS接收機狀態(tài)和GPS時間、位置信息，并設(shè)置與被錄取設(shè)備的通信速率、數(shù)據(jù)幀格式，建立與被錄取設(shè)備的通信；當(dāng)被錄取設(shè)備有數(shù)據(jù)到來時進行接收，將接收的數(shù)據(jù)和接收時刻的絕對時標(biāo)打包，向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，從而完成數(shù)據(jù)錄取授時的過程； 所述的數(shù)據(jù)錄取授時的方法，其步驟如下 1)、高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀采用GPS授時板提供的秒脈沖PPS信號校時，對于普通的GPS，OEM板，秒脈沖PPS前沿與絕對時的精度誤差不超過200納秒； 2)、實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄取記錄的時標(biāo)所表示的時刻與被錄取設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)出時刻的時間誤差在±1×10-4秒以內(nèi)； 3)、由數(shù)據(jù)錄取板上高精度晶振構(gòu)成的振蕩器經(jīng)過分頻能產(chǎn)生滿足時間分辨率高于1×10-6要求的時鐘信號，并通過一個計數(shù)器為其計數(shù)；它每隔1秒被GPS授時板的秒脈沖PPS信號前沿同步一次，計數(shù)器清零； 4)、試驗數(shù)據(jù)第一個字節(jié)到來時，記下晶振計數(shù)器的值，將上1秒GPS授時儀器傳來的時間信息加1，再加上記錄的計數(shù)器值除以晶振頻率的商，最后減去1個字節(jié)的串口傳輸延時，就得到了該試驗數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確時標(biāo)； 5)、GPS秒脈沖抗干擾措施，基于GPS的時間同步是靠每秒鐘起始時刻發(fā)出的同步秒脈沖PPS來保證，而GPS的秒脈沖信號只是用一根信號線來傳送，由于GPS的秒脈沖信號在系統(tǒng)設(shè)計中作為中斷源使用，在兩次PPS信號之間受到干擾影響的可能性很大，因此需正確識別秒脈沖信號以確保時間同步，為防止CPU的錯誤動作，根據(jù)秒脈沖總是位于前后2秒交界處的特點，采用秒脈沖軟件抗干擾措施； 鑒別方法是將系統(tǒng)晶振的誤差、相應(yīng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行的時間、PPS誤差值等時間誤差總和設(shè)為W，并設(shè)定一定容限，對于10-4秒的精度要求，可將W設(shè)為1×10-5秒，采用晶振計數(shù)器定時識別；當(dāng)進入秒脈沖中斷處理程序時，判斷晶振計數(shù)器的值是否落在1±W秒內(nèi)，如果是則校正本地時鐘，計數(shù)器清零，如果不是，則認(rèn)為是干擾脈沖，繼續(xù)計數(shù)； 6)、GPS秒脈沖失效處理，錄取控制板檢測到GPS授時板在復(fù)雜電磁環(huán)境的數(shù)據(jù)錄取中，偶爾會存在與GPS衛(wèi)星不同步或衛(wèi)星系統(tǒng)的信號由于某種原因而消失的GPS信號失效時，本地晶振時鐘獨立運行，可保持?jǐn)?shù)分鐘滿足系統(tǒng)精度要求的試驗數(shù)據(jù)錄取，當(dāng)重新捕獲到GPS衛(wèi)星信號后，可重新建立同步。
所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，其通信協(xié)議指數(shù)據(jù)錄取授時儀與用戶數(shù)據(jù)收集計算機的通信協(xié)議，包括 1)開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令 B0標(biāo)志字F1 B1錄取幀標(biāo)志位長度n表明被錄取設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀幀頭的長度，為讀取幀頭的內(nèi)容作準(zhǔn)備； B2-B1+n錄取幀標(biāo)志字內(nèi)容依據(jù)標(biāo)志字長度讀取相應(yīng)長度的字節(jié)，作為錄取數(shù)據(jù)幀的幀頭； B2+n錄取幀數(shù)據(jù)長度錄取幀的除標(biāo)志字和校驗和以外實際數(shù)據(jù)的長度； B3+n錄取幀校驗和位數(shù)原碼表示校驗和位數(shù)， B4+n-B5+n錄取的速率取值范圍從1200-38400bit/s，原碼表示，先發(fā)低字節(jié)再發(fā)高字節(jié)； B6+n校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計； 該幀由用戶數(shù)據(jù)收集計算機向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送，詢問是否開機和錄取準(zhǔn)備情況，并告知需錄取的數(shù)據(jù)幀格式；其中錄取幀標(biāo)志字內(nèi)容字段中的字節(jié)8位均有效； 2)數(shù)據(jù)錄取授時儀開機應(yīng)答命令 B0標(biāo)志字E1， B1 GPS狀態(tài)標(biāo)志，0表示GPS正在定位中還無法進行錄取和授時，該幀隨后的GPS的數(shù)據(jù)無效全為0；1表示GPS定位成功可以進行錄取和授時，該幀隨后的GPS的數(shù)據(jù)有效； B2設(shè)備所處半球指示，高3位指示東西半球，0表示西半球，1表示東半球；低4位指示南北半球，0表示南半球，1表示北半球； B3-B8經(jīng)度，設(shè)備所在位置的經(jīng)度共6個字節(jié)，表示形式為度(2b)、分(1b)、秒(3b)，秒精確到小數(shù)點第4位，其中第1字節(jié)表示小數(shù)點右邊的數(shù)值，第2、3字節(jié)表示小數(shù)點左邊的數(shù)值； B9-B13緯度，設(shè)備所在位置的緯度共5字節(jié)，表示形式為度(1b)、分(1b)、秒(3b)，秒的表示與經(jīng)度一致； B14年B15月B16日B17時B18分B19秒，均用1個字節(jié)表示，其中“年”只給出后2位的值，如2004年，則內(nèi)容是04； B20校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計； 該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，應(yīng)答用戶數(shù)據(jù)收集計算機的開機詢問，同時上報GPS狀態(tài)； 3)數(shù)據(jù)錄取命令 B0標(biāo)志字F2 B1附帶時標(biāo)標(biāo)志，0表示僅錄取數(shù)據(jù)不需要附帶時標(biāo)；1表示錄取數(shù)據(jù)并附帶時標(biāo)； B2校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計； 該幀由用戶數(shù)據(jù)收集計算機向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送，指示數(shù)據(jù)錄取授時儀開始錄取裝備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)錄取授時機在接收到該命令后，初始化與設(shè)備的接口，開始錄取數(shù)據(jù)； 4)錄取應(yīng)答命令 B0標(biāo)志字E2 B1錄取狀態(tài)標(biāo)志，0下位機故障無法進行錄??；1表示已進入錄取狀態(tài)； B2校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計； 該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，是對數(shù)據(jù)錄取命令的應(yīng)答，表示數(shù)據(jù)錄取授時儀已經(jīng)打開錄取數(shù)據(jù)接口，進入錄取狀態(tài)。用戶數(shù)據(jù)收集計算機在接收到該命令后，可以開始接收上報的錄取數(shù)據(jù)； 5)數(shù)據(jù)錄取授時機上報的錄取數(shù)據(jù) B0-Bn-1錄取幀標(biāo)志字，從開機詢問命令獲得的錄取幀標(biāo)志字； Bn-Bn+x錄取的內(nèi)容，從設(shè)備接收的幀除錄取幀標(biāo)志字外的所有數(shù)據(jù)； Bn+x+1-Bn+x+6時標(biāo)，結(jié)構(gòu)為時(1b)、分(1b)、秒(4b)，秒精確到小數(shù)點第5位，其中第1字節(jié)表示小數(shù)點右邊的數(shù)值，第2、3、4字節(jié)表示小數(shù)點左邊的數(shù)值。不要求時標(biāo)時，該字段的值全為0； Bn+x+7校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計； 該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，上報從設(shè)備錄取的附帶時標(biāo)數(shù)據(jù)； 6)錄取停止命令， B0標(biāo)志字F4 B1保留字節(jié)0，無實際意義，內(nèi)容為0，預(yù)留備用； B2校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計； 該幀由用戶數(shù)據(jù)收集計算機向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送，命令停止數(shù)據(jù)的錄?。? 7)停止應(yīng)答命令 B0標(biāo)志字E4 B1保留字節(jié)0無實際意義，內(nèi)容為0，預(yù)留備用； B2校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計。
該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，表明授時機已關(guān)閉接口，停止數(shù)據(jù)的錄取。
所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，系統(tǒng)硬件包括GPS天線、GPS授時板、錄取控制板、封裝盒、供電電池、整流電源和通信電纜；GPS授時板連接GPS天線，提供PPS信號和GPS時間信息給錄取控制板，錄取控制板通過串行接口由通信電纜分別連接被錄取設(shè)備和用戶數(shù)據(jù)收集計算機。
所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，錄取控制板的邏輯結(jié)構(gòu)包括一個以上的錄取控制板RS232接口、電平轉(zhuǎn)換單元、本地時鐘源、直流穩(wěn)壓電路、中心處理器和調(diào)試接口電路； 所述的錄取控制板RS232接口電路連接被錄取設(shè)備、用戶數(shù)據(jù)收集計算機及封裝的GPS授時板； 所述的電平轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換秒脈沖為內(nèi)部總線電壓并觸發(fā)中央處理器中斷來校準(zhǔn)錄取控制板的本地時鐘； 所述的本地時鐘源為高精度晶振電路，該電路在為中心處理器提供主頻的同時，也和中心處理器的計數(shù)器一起構(gòu)成了錄取控制板的本地時鐘； 所述的直流穩(wěn)壓電路為錄取控制板和GPS授時板提供直流穩(wěn)壓源。
所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，錄取控制板的電路具有 GPS授時板提供的PPS信號，通過IC6緩沖驅(qū)動器74HC244進行總線信號驅(qū)動轉(zhuǎn)換為內(nèi)部總線電平并接入IC2中心處理器MB90F591A的INT0口產(chǎn)生中斷；連接芯片通信信號和電源以及LED指示燈，當(dāng)錄取控制板通電時，LED燈點亮，有數(shù)據(jù)通信時，LED燈閃爍； 串口時間信息通過com1接口連接到錄取控制板的中心處理器MB90F591A，中心處理器MB90F591A外接4M晶振、內(nèi)部機器頻率16MHz、最小指令執(zhí)行時間62.5ns； IC2中央處理器MB90F591A的com0收、發(fā)端口分別為SIN0和SOUT0，在接口J8和IC2之間通過IC3串行接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動，完成com0口的通信功能；J8是com0的接口，連接被錄取設(shè)備測試口，引腳2，3分別為com0收、發(fā)引腳，腳5接地，其中com0也可為燒寫程序接口； IC2中央處理器MB90F591A的com1收、發(fā)端口分別為SIN1和SOUT1，在接口J4和IC2之間通過IC4串行接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動，完成com1口的通信功能；J4是com1的接口，連接GPS授時板；引腳2、5分別為com1收、發(fā)引腳，引腳3接入GPS授時板的PPS信號，引腳4接地； IC2中央處理器MB90F591A的com2收、發(fā)端口分別為SIN2和SOUT2，在J5和IC2之間通過IC5串行接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動，完成com2口的通信功能；J5是com2的接口，連接用戶數(shù)據(jù)收集計算機；引腳2，3分別為com2收、發(fā)引腳，引腳5接地； 通信電纜為三線制串行通信線纜； 芯片RST端是電容C12和電阻R14組成典型的上電復(fù)位電路，當(dāng)電路板加電時，給芯片復(fù)位信號； 芯片端口85、86接的是接地電阻，85、86為普通IO口，保持長低電平，是單片機軟件需要這兩個端口保持輸入為“0”，以實現(xiàn)某些功能； 芯片端口1，連接com2的用戶接收數(shù)據(jù)計算機的RTS請求發(fā)送信號； 電源由市電通過整流提供直流輸出與12V直流電池供電，通過二極管D1、D2整流穩(wěn)壓，IC1直流電壓轉(zhuǎn)換模塊PKF2111PI將外部12V直流輸入轉(zhuǎn)換為2路5V直流輸出，通過接口J2、J3分別給錄取控制板和GPS授時板供電。
所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，主機盒采用鋁合金壓制盒，安裝散熱片，內(nèi)裝錄取控制板和GPS授時板； 主機盒的前面板上設(shè)置有開關(guān)KNX303，標(biāo)識工作/下載；指示燈直徑3mm雙色，帶燈座，標(biāo)識指示燈；計算機接口DB9ZJ，標(biāo)識計算機；設(shè)備接口DB9ZJ，標(biāo)識設(shè)備接口；后面板上設(shè)置有電源口Y4M4，標(biāo)識電源；GPS數(shù)據(jù)輸出口DB9ZJ，標(biāo)識GPS；天線接入口TNC-KF3，標(biāo)識天線；1PPS輸出口BNC-KF3，標(biāo)識1PPS。
所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀的系統(tǒng)軟件其包括數(shù)據(jù)錄取軟件和錄取控制軟件 1)、數(shù)據(jù)錄取軟件為嵌入式主控軟件，運行于錄取控制板中心處理器，完成數(shù)據(jù)錄取和授時；它通過通信協(xié)議受用戶數(shù)據(jù)收集計算機的控制，完成規(guī)定的功能；包括主控模塊、PPS中斷模塊、錄取數(shù)據(jù)中斷模塊； 主控模塊控制錄取控制板，進行計數(shù)器、串行通信等初始化工作，接收GPS授時板時間信息，接收用戶數(shù)據(jù)收集計算機命令，將錄取的設(shè)備測試數(shù)據(jù)于時標(biāo)打包形成數(shù)據(jù)幀上傳至用戶數(shù)據(jù)收集計算機； PPS中斷模塊完成中心處理器計數(shù)器清零工作； 數(shù)據(jù)錄取中斷模塊為被錄取設(shè)備通信中斷服務(wù)程序，同時完成記錄錄取時刻的工作； 數(shù)據(jù)錄取軟件流程如下 錄取控制板加電啟動程序，首先進行初始化，包括設(shè)置GPS授時板參數(shù)、啟動本地晶振時鐘，打開與用戶數(shù)據(jù)收集計算機通信接口工作，初始化完成后，進入等待接收命令狀態(tài)，如果收到開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令，則記錄需錄取的數(shù)據(jù)幀格式，詢問GPS授時板是否定位，并向用戶數(shù)據(jù)收集計算機應(yīng)答開機詢問；如果收到數(shù)據(jù)錄取命令，則打開數(shù)據(jù)錄取端口，開始數(shù)據(jù)錄取，并打時標(biāo)，同時向數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送錄取應(yīng)答命令；在錄取到數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)和時標(biāo)進行上報；在數(shù)據(jù)錄取期間，如果收到用戶數(shù)據(jù)收集計算機的錄取停止命令，馬上關(guān)閉錄取端口，停止數(shù)據(jù)錄取，同時發(fā)送停止應(yīng)答命令； 2)、錄取控制軟件采用VC開發(fā)，運行與用戶數(shù)據(jù)收集計算機，控制數(shù)據(jù)錄取授時儀進行數(shù)據(jù)錄取并實時接收帶時標(biāo)的數(shù)據(jù)進行存儲，存儲后的數(shù)據(jù)由用戶根據(jù)實際需要進行處理； 錄取控制軟件依據(jù)用戶界面事件如鼠標(biāo)或鍵盤事件產(chǎn)生消息，驅(qū)動各模塊執(zhí)行相應(yīng)的操作；由于軟件是一個實時的控制和數(shù)據(jù)接收程序，因此在實現(xiàn)時需采用多線程技術(shù)，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、存儲由運行時創(chuàng)建的后臺輔助線程完成，主用戶界面線程完成用戶交互和數(shù)據(jù)顯示的工作； 錄取控制軟件流程如下 用戶可通過專門的設(shè)置界面設(shè)置需錄取的數(shù)據(jù)幀格式和通信速率，在用戶點擊連接“建立連接”菜單項后，軟件打開與數(shù)據(jù)錄取授時儀的通信端口，串口初始化并發(fā)送開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令，如果授時儀無應(yīng)答則連接失敗，有應(yīng)答，則連接建立，提示用戶錄取準(zhǔn)備就緒；若GPS沒有定位，則禁止啟動數(shù)據(jù)錄取，否則允許啟動數(shù)據(jù)錄?。辉跀?shù)據(jù)錄取授時儀應(yīng)答GPS定位后，用戶可點擊相應(yīng)菜單項發(fā)送數(shù)據(jù)錄取命令，啟動數(shù)據(jù)錄取授時儀進行數(shù)據(jù)錄取，在接收到數(shù)據(jù)錄取授時儀的錄取應(yīng)答命令后，進行數(shù)據(jù)的接收，將接收的數(shù)據(jù)和GPS時標(biāo)信息實時顯示； 當(dāng)用戶點擊停止錄取菜單項時，軟件向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送停止錄取命令，并存儲錄取的數(shù)據(jù)和時標(biāo)，串口關(guān)閉。
由于采用如上所述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性 該高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，經(jīng)過測試，數(shù)據(jù)錄取授時儀的絕對時同步精度高于1×10-4秒，它具有以下優(yōu)點 1、系統(tǒng)采用GPS授時技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)錄取的時間絕對時同步。用GPS作為同步時間源，取消了使用地域的限制，只要能接收到GPS衛(wèi)星信號的地方均能使用該授時儀。
2、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄取時間同步精度高，并進行了精心的通信協(xié)議設(shè)計，對測試時統(tǒng)精度要求不大于1×10-4秒、提供異步串行測試接口或轉(zhuǎn)接口且通信速率不高于38400bps、測試幀長度固定的設(shè)備均可進行測試數(shù)據(jù)的錄??； 3、數(shù)據(jù)錄取授時儀硬件設(shè)計小型化、方案簡潔、成本低，功能強、使用安裝方便、對被測系統(tǒng)影響小，能適用于大數(shù)據(jù)量、長時間測試任務(wù)。
該高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀已應(yīng)用于多項對空跟蹤設(shè)備的精度鑒定任務(wù)，獲取了有效的試驗數(shù)據(jù)，取得了滿意的效果，可向類似需求的軍用、民用項目推廣。



圖1是數(shù)據(jù)錄取授時儀組成框圖； 圖2是錄取控制板邏輯結(jié)構(gòu)圖； 圖3是系統(tǒng)授時原理框圖； 圖4是數(shù)據(jù)錄取電路原理圖； 圖5是主機盒內(nèi)部接線關(guān)系框圖； 圖6是前面板示意圖； 圖7是后面板示意圖； 圖8是PPS中斷模塊工作流程圖； 圖9是數(shù)據(jù)錄取中斷模塊工作流程圖； 圖10是數(shù)據(jù)錄取控制軟件運行流程圖； 圖11是數(shù)據(jù)錄取授時儀實施圖； 圖12是數(shù)據(jù)錄取軟件流程圖； 圖13是秒脈沖軟件抗干擾措施原理框圖； 圖14是數(shù)據(jù)錄取授時儀通信協(xié)議的流程圖。
圖中1-GPS天線；2-GPS授時板；3-數(shù)據(jù)錄取控制板；4-被錄取設(shè)備；5-用戶數(shù)據(jù)收集計算機；6-真值設(shè)備；7-被測試動態(tài)目標(biāo)；8-開關(guān)；9-指示燈；10-計算機接口； 11-設(shè)備接口；12-電源口；13-天線入口；14-GPS數(shù)據(jù)輸出口；15-1PPS輸出口；16-數(shù)據(jù)錄取授時儀；17-精度數(shù)據(jù)處理。

具體實施例方式 如圖1至圖14所示該高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)錄取的時間絕對時同步。用GPS作為同步時間源，取消了使用地域的限制，只要能接收到GPS衛(wèi)星信號的地方均能使用該授時儀。
采用該種高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀進行精度試驗的典型實施方案如圖11所示，是被錄取設(shè)備(4)與真值設(shè)備(6)放置于甲、乙兩地，兩地距離可根據(jù)試驗的要求任意安排。被錄取設(shè)備(4)與真值設(shè)備(6)對被測試動態(tài)目標(biāo)(7)的測試，由兩套數(shù)據(jù)錄取授時儀(16)分別連接真值設(shè)備(6)和被錄取設(shè)備(4)，錄取真值數(shù)據(jù)和被測試數(shù)據(jù)，并保持錄取數(shù)據(jù)的絕對時同步，用戶數(shù)據(jù)收集計算機(5)獲取數(shù)據(jù)后，即可將被測試數(shù)據(jù)與真值數(shù)據(jù)比對，即精度數(shù)據(jù)處理(17)得到精度試驗結(jié)果。
該高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，系統(tǒng)總體設(shè)計主要由GPS天線、GPS授時板、錄取控制板組成，其組成框圖如圖1所示。GPS天線和GPS授時板可購買現(xiàn)有商用產(chǎn)品，錄取控制板需要自行研制。
高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀由GPS授時板通過GPS天線接收GPS衛(wèi)星信息并進行解算，得到符合GPS授時板精度的秒脈沖信息和絕對時間信息，錄取控制板接收該信息，并校正控制板的內(nèi)部時鐘，保持控制板與絕對時的嚴(yán)格同步。
錄取控制板可遵循通信協(xié)議，接收用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送的命令，向用戶數(shù)據(jù)收集計算機反饋GPS接收機狀態(tài)和GPS時間、位置信息，并設(shè)置與被錄取設(shè)備的通信速率、數(shù)據(jù)幀格式，建立與被錄取設(shè)備的通信。當(dāng)被錄取設(shè)備有數(shù)據(jù)到來時進行接收，將接收的數(shù)據(jù)和接收時刻的絕對時標(biāo)打包，向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送。從而完成數(shù)據(jù)錄取授時的過程。
錄取控制板的設(shè)計 錄取控制板的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括一個以上的錄取控制板RS232接口、電平轉(zhuǎn)換單元、本地時鐘源、直流穩(wěn)壓電路、中心處理器和調(diào)試接口電路；其中錄取控制板RS232接口電路連接被錄取設(shè)備、用戶數(shù)據(jù)收集計算機以及封裝的GPS授時板；電平轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換秒脈沖為內(nèi)部總線電壓并觸發(fā)中央處理器中斷來校準(zhǔn)錄取控制板的本地時鐘；本地時鐘源為高精度晶振電路，該電路在為中心處理器提供主頻的同時，也和中心處理器的計數(shù)器一起構(gòu)成了錄取控制板的本地時鐘；直流穩(wěn)壓電路為錄取控制板和GPS授時板提供直流穩(wěn)壓源。
數(shù)據(jù)錄取授時儀通信協(xié)議 數(shù)據(jù)錄取授時儀與用戶數(shù)據(jù)收集計算機的通信協(xié)議如圖14所示，包括開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令、數(shù)據(jù)錄取授時儀開機應(yīng)答命令、數(shù)據(jù)錄取命令、錄取應(yīng)答命令、數(shù)據(jù)錄取授時機上報的錄取數(shù)據(jù)、錄取停止命令、停止應(yīng)答命令； 通信協(xié)議的具體說明如下 1)開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令 說明該幀由用戶數(shù)據(jù)收集計算機向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送，詢問是否開機和錄取準(zhǔn)備情況，并告知需錄取的數(shù)據(jù)幀格式。其中錄取幀標(biāo)志字內(nèi)容字段中的字節(jié)8位均有效。
·錄取幀標(biāo)志字長度表明被錄取設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀幀頭的長度，為讀取幀頭的內(nèi)容作準(zhǔn)備； ·錄取幀標(biāo)志字內(nèi)容依據(jù)標(biāo)志字長度讀取相應(yīng)長度的字節(jié)，作為錄取數(shù)據(jù)幀的幀頭； ·錄取幀數(shù)據(jù)長度錄取幀的除標(biāo)志字和校驗和以外實際數(shù)據(jù)的長度； ·錄取幀校驗和位數(shù)原碼表示校驗和位數(shù)。
·錄取的速率取值范圍從1200-38400bit/s，原碼表示先發(fā)低字節(jié)再發(fā)高字節(jié)； ·校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計。
2)數(shù)據(jù)錄取授時儀開機應(yīng)答命令 說明該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，應(yīng)答用戶數(shù)據(jù)收集計算機的開機詢問，同時上報GPS狀態(tài)。
·GPS狀態(tài)標(biāo)志0表示GPS正在定位中還無法進行錄取和授時，該幀隨后的GPS的數(shù)據(jù)無效全為0；1表示GPS定位成功可以進行錄取和授時，該幀隨后的GPS的數(shù)據(jù)有效； ·設(shè)備所處半球指示高3位指示東西半球，0表示西半球，1表示東半球；低4位指示南北半球，0表示南半球，1表示北半球； ·經(jīng)度設(shè)備所在位置的經(jīng)度共6個字節(jié)，表示形式為度(2b)、分(1b)、秒(3b)，秒精確到小數(shù)點第4位，其中第1字節(jié)表示小數(shù)點右邊的數(shù)值，第2、3字節(jié)表示小數(shù)點左邊的數(shù)值； ·緯度設(shè)備所在位置的緯度共5字節(jié)，表示形式為度(1b)、分(1b)、秒(3b)，秒的表示與經(jīng)度一致； ·年、月、日、時、分、秒均用1個字節(jié)表示，其中“年”只給出后2位的值，如2004年，則內(nèi)容是04。
·校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計。
3)數(shù)據(jù)錄取命令 說明該幀由用戶數(shù)據(jù)收集計算機向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送，指示數(shù)據(jù)錄取授時儀開始錄取裝備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)錄取授時機在接收到該命令后，初始化與設(shè)備的接口，開始錄取數(shù)據(jù)。
·附帶時標(biāo)標(biāo)志0表示僅錄取數(shù)據(jù)不需要附帶時標(biāo)；1表示錄取數(shù)據(jù)并附帶時標(biāo)； ·校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計。
4)錄取應(yīng)答命令 說明該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，是對數(shù)據(jù)錄取命令的應(yīng)答，表示數(shù)據(jù)錄取授時儀已經(jīng)打開錄取數(shù)據(jù)接口，進入錄取狀態(tài)。用戶數(shù)據(jù)收集計算機在接收到該命令后，可以開始接收上報的錄取數(shù)據(jù)。
·錄取狀態(tài)標(biāo)志0下位機故障無法進行錄取；1表示已進入錄取狀態(tài)； ·校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計。
5)數(shù)據(jù)錄取授時機上報的錄取數(shù)據(jù) 說明該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，上報從設(shè)備錄取的附帶時標(biāo)數(shù)據(jù)。
·錄取幀標(biāo)志字從開機詢問命令獲得的錄取幀標(biāo)志字； ·錄取的內(nèi)容從設(shè)備接收的幀除錄取幀標(biāo)志字外的所有數(shù)據(jù)； ·時標(biāo)結(jié)構(gòu)為時(1b)、分(1b)、秒(4b)，秒精確到小數(shù)點第4位，其中第1字節(jié)表示小數(shù)點右邊的數(shù)值，第2、3、4字節(jié)表示小數(shù)點左邊的數(shù)值。不要求時標(biāo)時，該字段的值全為0； ·校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計。
6)錄取停止命令 說明該幀由用戶數(shù)據(jù)收集計算機向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送，命令停止數(shù)據(jù)的錄取。
·保留字節(jié)無實際意義，內(nèi)容為0，預(yù)留備用。
·校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計。
7)停止應(yīng)答命令 說明該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，表明授時機已關(guān)閉接口，停止數(shù)據(jù)的錄取。
·保留字節(jié)無實際意義，內(nèi)容為0，預(yù)留備用。
·校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計。
數(shù)據(jù)錄取授時儀系統(tǒng)授時原理 如圖3所示授時儀采用GPS授時板提供的秒脈沖PPS信號校時，對于普通的GPS，OEM板，PPS前沿與絕對時的精度誤差不超過200納秒。關(guān)鍵在于實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄取記錄的時標(biāo)所表示的時刻與被錄取設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)出時刻的時間誤差在±1×10-4秒以內(nèi)，主要通過以下描述的方法解決。
1)、由數(shù)據(jù)錄取板上高精度晶振構(gòu)成的振蕩器經(jīng)過分頻能產(chǎn)生滿足時間分辨率高于1×10-6要求的時鐘信號，并通過一個計數(shù)器為其計數(shù)。它每隔1秒被GPS授時板的PPS信號前沿同步一次，計數(shù)器清零。
2)、試驗數(shù)據(jù)第一個字節(jié)到來時，記下晶振計數(shù)器的值，將上1秒GPS授時儀器傳來的時間信息加1，再加上記錄的計數(shù)器值除以晶振頻率的商，最后減去1個字節(jié)的串口傳輸延時，就得到了該試驗數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確時標(biāo)。
3)、GPS秒脈沖抗干擾措施如圖13所示，基于GPS的時間同步是靠每秒鐘起始時刻發(fā)出的同步秒脈沖PPS來保證，而GPS的秒脈沖信號只是用一根信號線來傳送，由于GPS的秒脈沖信號在系統(tǒng)設(shè)計中作為中斷源使用，在兩次PPS信號之間受到干擾影響的可能性很大，因此需正確識別秒脈沖信號以確保時間同步，為防止CPU的錯誤動作，根據(jù)秒脈沖總是位于前后2秒交界處的特點，采用秒脈沖抗干擾措施； 鑒別方法是將系統(tǒng)晶振的誤差、相應(yīng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行的時間、PPS誤差值等時間誤差總和設(shè)為W，并設(shè)定一定容限，對于10-4秒的精度要求，可將W設(shè)為1×10-5秒，采用晶振計數(shù)器定時識別；當(dāng)進入秒脈沖中斷處理程序時，判斷晶振計數(shù)器的值是否落在1±W秒內(nèi)，如果是則校正本地時鐘，計數(shù)器清零，如果不是，則認(rèn)為是干擾脈沖，繼續(xù)計數(shù)。
4)、GPS秒脈沖失效處理，錄取控制板檢測到GPS授時板在復(fù)雜電磁環(huán)境的數(shù)據(jù)錄取中，偶爾會存在與GPS衛(wèi)星不同步或衛(wèi)星系統(tǒng)的信號由于某種原因而消失的GPS信號失效時，本地晶振時鐘獨立運行，可保持?jǐn)?shù)分鐘滿足系統(tǒng)精度要求的試驗數(shù)據(jù)錄取，當(dāng)重新捕獲到GPS衛(wèi)星信號后，可重新建立同步。
上述方法是在考慮以下5個方面因素的基礎(chǔ)上提出來的 1)、晶振1秒內(nèi)時間的漂移非常小，在本應(yīng)用可以忽略不計，但長時間運行的累計誤差較大； 2)、GPS授時板的PPS在跟蹤衛(wèi)星后，長時間運行穩(wěn)定，無累計誤差； 3)、串口通信接口單字節(jié)傳輸硬件時延固定，可精確計算； 4)、數(shù)據(jù)錄取授時儀，被錄取設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收硬件處理時間為門級即ns(10-9)級，可以忽略不計。
5)、處理板中斷處理程序的軟件執(zhí)行時間，在機器周期為MHz(絕大多數(shù)單片機處理芯片的機器周期量級)的情況下，為μs(10-6)級，也可忽略不計。
通過上述方法可保證錄取數(shù)據(jù)時標(biāo)的誤差在±1×10-4秒以內(nèi)。
所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，其系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 系統(tǒng)的硬件由GPS天線、GPS授時板、錄取控制板、封裝盒、供電電池、充電器、整流電源以及通信電纜組成。由GPS天線(1)接收，GPS授時板(2)提供的PPS信號通過錄取控制板(3)；錄取控制板(3)通過接口由通信電纜分別連接被錄取設(shè)備(4)和用戶數(shù)據(jù)收集計算機(5)。
采購Garmin25LP接收機作為GPS授時板(2)，該接收機可提供串口時間信息和PPS接口；GPS天線(1)采用合眾思壯公司提供5V蘑菇頭天線；供電電池采用12V直流電池；也可用整流電源提供市電轉(zhuǎn)12V直流輸出；通信電纜為三線制串行通信線纜，錄取控制板(3)和封裝盒需進行設(shè)計。
1)錄取控制板電路的實現(xiàn)如圖4所示 錄取控制板的電路具有 GPS授時板提供的PPS信號，通過IC6緩沖驅(qū)動器74HC244進行總線信號驅(qū)動轉(zhuǎn)換為內(nèi)部總線電平并接入IC2中心處理器MB90F591A的INT0口產(chǎn)生中斷；連接芯片通信信號和電源以及LED指示燈，當(dāng)錄取控制板通電時，LED燈點亮，有數(shù)據(jù)通信時，LED燈閃爍； 串口時間信息通過com1接口連接到錄取控制板的中心處理器MB90F591A，中心處理器MB90F591A外接4M晶振Y1、內(nèi)部機器頻率16MHz、最小指令執(zhí)行時間62.5ns； IC2中央處理器MB90F591A的com0收、發(fā)端口分別為SIN0和SOUT0，在接口J8和IC2之間通過IC3串行接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動，完成com0口的通信功能；J8是com0的接口，連接被錄取設(shè)備測試口，引腳2，3分別為com0收、發(fā)引腳，腳5接地，其com0也可為燒寫程序接口J7； IC2中央處理器MB90F591A的com1收、發(fā)端口分別為SIN1和SOUT1，在接口J4和IC2之間通過IC4串行接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動，完成com1口的通信功能；J4是com1的接口，連接GPS授時板；引腳2、5分別為com1收、發(fā)引腳，引腳3接入GPS授時板的PPS信號，引腳4接地； IC2中央處理器MB90F591A的com2收、發(fā)端口分別為SIN2和SOUT2，在接口J5和IC2之間通過IC5串行接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動，完成com2口的通信功能；J5是com2的接口，連接用戶數(shù)據(jù)收集計算機；引腳2，3分別為com2收、發(fā)引腳，引腳5接地，通信電纜為三線制串行通信線纜。
IC2芯片RST端是由電容C12和電阻R14組成典型的上電復(fù)位電路，當(dāng)電路板加電時，給芯片復(fù)位信號。接口J6是測試口，維修調(diào)試用。
IC2芯片端85、86接的是接地電阻R14和R15，IC2芯片端85、86端為普通IO口，保持長低電平，是單片機軟件需要這兩個端口保持輸入為“0”，以實現(xiàn)某些功能；IC2芯片MD端的接口J9和J10是空置接口。
IC2芯片端1，連接com2的用戶接收數(shù)據(jù)計算機的RTS請求發(fā)送信號。
電源由市電通過整流提供直流輸出與12V直流電池供電，由接口J1通過二極管D1、D2整流穩(wěn)壓，IC1直流電壓轉(zhuǎn)換模塊PKF2111PI將外部12V直流輸入轉(zhuǎn)換為2路5V直流輸出，通過接口J2、J3分別給錄取控制板和GPS授時板供電； 其IC2芯片中心處理器采用富士通公司提供的MB90F591A，該芯片采用0.5μm制程，為16位處理器，提供1個18位計數(shù)器、2個16位計數(shù)器、3個全雙工異步串行接口，處理器外接4M晶振、內(nèi)部機器頻率16MHz、最小指令執(zhí)行時間62.5ns，該處理器芯片的技術(shù)指標(biāo)完全能夠滿足本系統(tǒng)的要求。
串行接口電路采用通用的MAX232芯片，3塊MAX232分別連接中心處理器的異步串行接口為com0、com1、com2，com0接被錄取設(shè)備，com1接GPS授時板、com2接計算機，其中com0也作為燒寫程序接口。
GPS授時板的PPS信號通過電平轉(zhuǎn)換電路后，接入IC2芯片中心處理器INT0口產(chǎn)生中斷。
PKF2111PI為直流電壓轉(zhuǎn)換模塊，將外部12V直流輸入轉(zhuǎn)換為2路5V直流輸出，分別通過接口J2、J3給錄取控制板和GPS接收機供電。
74HC244為8位緩沖和驅(qū)動器，轉(zhuǎn)換PPS信號為內(nèi)部總線電平并輸出，同時連接芯片通信信號和電源以及LED指示燈，當(dāng)錄取控制板通電時，接口J11的LED燈點亮，有數(shù)據(jù)通信時，LED燈閃爍。
2)結(jié)構(gòu)設(shè)計 a.主機盒，采用鋁合金壓制盒，安裝散熱片，內(nèi)裝錄取控制板和GPS授時板； b.前面板如圖6所示 開關(guān)(8)KNX303，標(biāo)識工作/下載； 指示燈(9)直徑3mm雙色，帶燈座，標(biāo)識指示燈； 計算機接口(10)DB9ZJ，標(biāo)識計算機； 設(shè)備接口(11)DB9ZJ，標(biāo)識設(shè)備接口； c.后面板如圖7所示 電源口(12)Y4M4，標(biāo)識電源，； GPS數(shù)據(jù)輸出口(14)DB9ZJ，標(biāo)識GPS； 天線入口(13)TNC-KF3，標(biāo)識天線； 1PPS輸出口(15)BNC-KF3，標(biāo)識1PPS，用于連接錄取控制板(3)的接口J12。
主機盒內(nèi)部接線關(guān)系如圖5所示 錄取控制板(3)通過串口com1連接GPS授時板(2)，連接后面板的GPS數(shù)據(jù)口(14)；通過串口com2接口連接前面板的計算機接口(10)，通過串口com0接口連接前面板的設(shè)備接口(11)；GPS授時板(2)的數(shù)據(jù)口連接錄取控制板(3)，連接后面板的1pps端，后面板的電源口(12)連接錄取控制板(3)。
數(shù)據(jù)錄取授時儀的系統(tǒng)軟件如圖7，包括數(shù)據(jù)錄取軟件和錄取控制軟件。
1)數(shù)據(jù)錄取軟件 數(shù)據(jù)錄取軟件為嵌入式軟件，運行于錄取控制板中心處理器，完成數(shù)據(jù)錄取和授時，它通過通信協(xié)議受用戶數(shù)據(jù)收集計算機的控制，完成規(guī)定的功能。
該軟件包括主控模塊、PPS中斷模塊、錄取數(shù)據(jù)中斷模塊等模塊。
主控模塊控制錄取控制板，進行計數(shù)器、串行通信等初始化工作，接收GPS授時板時間信息，接收用戶數(shù)據(jù)收集計算機命令，將錄取的設(shè)備測試數(shù)據(jù)于時標(biāo)打包形成數(shù)據(jù)幀上傳至用戶數(shù)據(jù)收集計算機。
PPS中斷模塊完成中心處理器計數(shù)器清零工作。PPS中斷模塊工作流程如圖8所示。數(shù)據(jù)錄取中斷模塊為被錄取設(shè)備通信中斷服務(wù)程序，完成記錄錄取時刻的工作，數(shù)據(jù)錄取中斷模塊工作流程如圖9所示。
數(shù)據(jù)錄取軟件流程如下 如圖12所示錄取控制板加電啟動程序，首先進行初始化，包括設(shè)置GPS授時板參數(shù)、啟動本地晶振時鐘，打開與用戶數(shù)據(jù)收集計算機通信接口工作，初始化完成后，進入等待接收命令狀態(tài)，如果收到開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令，則記錄需錄取的數(shù)據(jù)幀格式，詢問GPS授時板是否定位，并向用戶數(shù)據(jù)收集計算機應(yīng)答開機詢問；如果收到數(shù)據(jù)錄取命令，則打開數(shù)據(jù)錄取端口，開始數(shù)據(jù)錄取，并打時標(biāo)，同時向數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送錄取應(yīng)答命令；在錄取到數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)和時標(biāo)進行上報；在數(shù)據(jù)錄取期間，如果收到用戶數(shù)據(jù)收集計算機的錄取停止命令，馬上關(guān)閉錄取端口，停止數(shù)據(jù)錄取，同時發(fā)送停止應(yīng)答命令； 2)錄取控制軟件 錄取控制軟件采用VC開發(fā)，運行與用戶數(shù)據(jù)收集計算機，控制數(shù)據(jù)錄取授時儀進行數(shù)據(jù)錄取并實時接收帶時標(biāo)的數(shù)據(jù)進行存儲，存儲后的數(shù)據(jù)由用戶根據(jù)實際需要進行處理。
錄取控制軟件依據(jù)用戶界面事件鼠標(biāo)或鍵盤事件產(chǎn)生消息，驅(qū)動各模塊執(zhí)行相應(yīng)的操作。由于軟件是一個實時的控制和數(shù)據(jù)接收程序，因此在實現(xiàn)時需采用多線程技術(shù)，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、存儲由運行時創(chuàng)建的后臺輔助線程完成，主用戶界面線程完成用戶交互和數(shù)據(jù)顯示的工作。
錄取控制軟件的運行流程如下 如圖10所示用戶可通過專門的設(shè)置界面設(shè)置需錄取的數(shù)據(jù)幀格式和通信速率，在用戶點擊連接“建立連接”菜單項后，軟件打開與數(shù)據(jù)錄取授時儀的通信端口，串口初始化并發(fā)送開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令，如果授時儀無應(yīng)答則連接失敗，有應(yīng)答，則連接建立，提示用戶錄取準(zhǔn)備就緒；若GPS沒有定位，則禁止啟動數(shù)據(jù)錄取，否則允許啟動數(shù)據(jù)錄??；在數(shù)據(jù)錄取授時儀應(yīng)答GPS定位后，用戶可點擊相應(yīng)菜單項發(fā)送數(shù)據(jù)錄取命令，啟動數(shù)據(jù)錄取授時儀進行數(shù)據(jù)錄取，在接收到數(shù)據(jù)錄取授時儀的錄取應(yīng)答命令后，進行數(shù)據(jù)的接收，將接收的數(shù)據(jù)和GPS時標(biāo)信息實時顯示；當(dāng)用戶點擊停止錄取菜單項時，軟件向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送停止錄取命令，并存儲錄取的數(shù)據(jù)和時標(biāo)，串口關(guān)閉。
該種高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀使用說明 使用前，在用戶自行準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)收集計算機(5)上安裝錄取控制軟件，該軟件也可由用戶自行根據(jù)通信協(xié)議和特定的需求編寫，設(shè)定串口通信速率為38400bps。
使用時，首先將GPS天線(1)架設(shè)在開闊處，數(shù)據(jù)錄取授時儀com2的設(shè)備接口(11)通過通信電纜與用戶數(shù)據(jù)收集計算機(5)連接起來，數(shù)據(jù)錄取授時儀com0的計算機接口(10)與被錄取設(shè)備連接起來，然后連接GPS天線(1)和電源，最后確認(rèn)無誤，方可加電。
加電后，用戶操作錄取控制軟件向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送狀態(tài)查詢和錄取數(shù)據(jù)格式命令，數(shù)據(jù)錄取授時儀在GPS授時板成功跟蹤衛(wèi)星提供正確的時間信號后，向用戶數(shù)據(jù)收集計算機(5)應(yīng)答錄取準(zhǔn)備就緒；錄取開始后，用戶數(shù)據(jù)收集計算機(5)發(fā)送數(shù)據(jù)錄取命令，數(shù)據(jù)錄取授時儀接收命令，開始對被錄取設(shè)備的測試數(shù)據(jù)實時錄取，同時利用錄取的間隙向用戶數(shù)據(jù)收集計算機(5)上報帶時標(biāo)的測試數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)收集計算機(5)接收數(shù)據(jù)進行解幀、顯示并存儲；錄取任務(wù)結(jié)束后，用戶數(shù)據(jù)收集計算機(5)發(fā)送錄取停止命令，終止數(shù)據(jù)的錄取。
在首次使用或長時間不用時，數(shù)據(jù)錄取授時儀需要預(yù)加電15～20分鐘，GPS方可定位，然后才能進行數(shù)據(jù)錄取。
數(shù)據(jù)錄取授時儀(16)的使用并非僅限于上述模式，用戶可以發(fā)揮創(chuàng)造性，在任何符合使用條件，需要進行高精度數(shù)據(jù)錄取情況下，應(yīng)用該儀器。
權(quán)利要求
1.一種高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，其特征在于由GPS授時板通過GPS天線接收GPS衛(wèi)星信息并進行解算，得到符合GPS授時板精度的秒脈沖信息和絕對時間信息，傳遞給錄取控制板；錄取控制板通過通信電纜分別連接被錄取設(shè)備和用戶數(shù)據(jù)收集計算機；
所述的錄取控制板，用于接收秒脈沖信息和絕對時間信息，并校正控制板的內(nèi)部時鐘，保持控制板與絕對時的嚴(yán)格同步；
所述的錄取控制板，遵循通信協(xié)議接收用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送的命令，向用戶數(shù)據(jù)收集計算機反饋GPS接收機狀態(tài)和GPS時間、位置信息，并設(shè)置與被錄取設(shè)備的通信速率、數(shù)據(jù)幀格式，建立與被錄取設(shè)備的通信；當(dāng)被錄取設(shè)備有數(shù)據(jù)到來時進行接收，將接收的數(shù)據(jù)和接收時刻的絕對時標(biāo)打包，向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，從而完成數(shù)據(jù)錄取授時的過程；
所述的數(shù)據(jù)錄取授時的方法，其步驟如下
1)、高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀采用GPS授時板提供的秒脈沖PPS信號校時，對于普通的GPS，OEM板，秒脈沖PPS前沿與絕對時的精度誤差不超過200納秒；
2)、實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄取記錄的時標(biāo)所表示的時刻與被錄取設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)出時刻的時間誤差在±1×10-4秒以內(nèi)；
3)、由數(shù)據(jù)錄取板上高精度晶振構(gòu)成的振蕩器經(jīng)過分頻能產(chǎn)生滿足時間分辨率高于1×10-6要求的時鐘信號，并通過一個計數(shù)器為其計數(shù)；它每隔1秒被GPS授時板的秒脈沖PPS信號前沿同步一次，計數(shù)器清零；
4)、試驗數(shù)據(jù)第一個字節(jié)到來時，記下晶振計數(shù)器的值，將上1秒GPS授時儀器傳來的時間信息加1，再加上記錄的計數(shù)器值除以晶振頻率的商，最后減去1個字節(jié)的串口傳輸延時，就得到了該試驗數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確時標(biāo)；
5)、GPS秒脈沖抗干擾措施，基于GPS的時間同步是靠每秒鐘起始時刻發(fā)出的同步秒脈沖PPS來保證，而GPS的秒脈沖信號只是用一根信號線來傳送，由于GPS的秒脈沖信號在系統(tǒng)設(shè)計中作為中斷源使用，在兩次PPS信號之間受到干擾影響的可能性很大，因此需正確識別秒脈沖信號以確保時間同步，為防止CPU的錯誤動作，根據(jù)秒脈沖總是位于前后2秒交界處的特點，采用秒脈沖軟件抗干擾措施；
鑒別方法是將系統(tǒng)晶振的誤差、相應(yīng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行的時間、PPS誤差值等時間誤差總和設(shè)為W，并設(shè)定一定容限，對于10-4秒的精度要求，可將W設(shè)為1×10-5秒，采用晶振計數(shù)器定時識別；當(dāng)進入秒脈沖中斷處理程序時，判斷晶振計數(shù)器的值是否落在1±W秒內(nèi)，如果是則校正本地時鐘，計數(shù)器清零，如果不是，則認(rèn)為是干擾脈沖，繼續(xù)計數(shù)；
6)、GPS秒脈沖失效處理，錄取控制板檢測到GPS授時板在復(fù)雜電磁環(huán)境的數(shù)據(jù)錄取中，偶爾會存在與GPS衛(wèi)星不同步或衛(wèi)星系統(tǒng)的信號由于某種原因而消失的GPS信號失效時，本地晶振時鐘獨立運行，可保持?jǐn)?shù)分鐘滿足系統(tǒng)精度要求的試驗數(shù)據(jù)錄取，當(dāng)重新捕獲到GPS衛(wèi)星信號后，可重新建立同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，其特征在于其通信協(xié)議指數(shù)據(jù)錄取授時儀與用戶數(shù)據(jù)收集計算機的通信協(xié)議，包括
1)開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令
B0標(biāo)志字F1
B1錄取幀標(biāo)志位長度n表明被錄取設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀幀頭的長度，為讀取幀頭的內(nèi)容作準(zhǔn)備；
B2-B1+n錄取幀標(biāo)志字內(nèi)容依據(jù)標(biāo)志字長度讀取相應(yīng)長度的字節(jié)，作為錄取數(shù)據(jù)幀的幀頭；
B2+n錄取幀數(shù)據(jù)長度錄取幀的除標(biāo)志字和校驗和以外實際數(shù)據(jù)的長度；
B3+n錄取幀校驗和位數(shù)原碼表示校驗和位數(shù)
B4+n-B5+n錄取的速率取值范圍從1200-38400bit/s，原碼表示，先發(fā)低字節(jié)再發(fā)高字節(jié)；
B6+n校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計；
該幀由用戶數(shù)據(jù)收集計算機向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送，詢問是否開機和錄取準(zhǔn)備情況，并告知需錄取的數(shù)據(jù)幀格式；其中錄取幀標(biāo)志字內(nèi)容字段中的字節(jié)8位均有效；
2)數(shù)據(jù)錄取授時儀開機應(yīng)答命令
B0標(biāo)志字E1，
B1 GPS狀態(tài)標(biāo)志，0表示GPS正在定位中還無法進行錄取和授時，該幀隨后的GPS的數(shù)據(jù)無效全為0；1表示GPS定位成功可以進行錄取和授時，該幀隨后的GPS的數(shù)據(jù)有效；
B2設(shè)備所處半球指示，高3位指示東西半球，0表示西半球，1表示東半球；低4位指示南北半球，0表示南半球，1表示北半球；
B3-B8經(jīng)度，設(shè)備所在位置的經(jīng)度共6個字節(jié)，表示形式為度(2b)、分(1b)、秒(3b)，秒精確到小數(shù)點第4位，其中第1字節(jié)表示小數(shù)點右邊的數(shù)值，第2、3字節(jié)表示小數(shù)點左邊的數(shù)值；
B9-B13緯度，設(shè)備所在位置的緯度共5字節(jié)，表示形式為度(1b)、分(1b)、秒(3b)，秒的表示與經(jīng)度一致；
B14年B15月B16日B17時B18分B19秒，均用1個字節(jié)表示，其中“年”只給出后2位的值，如2004年，則內(nèi)容是04；
B20校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計；
該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，應(yīng)答用戶數(shù)據(jù)收集計算機的開機詢問，同時上報GPS狀態(tài)；
3)數(shù)據(jù)錄取命令
B0標(biāo)志字F2
B1附帶時標(biāo)標(biāo)志，0表示僅錄取數(shù)據(jù)不需要附帶時標(biāo)；1表示錄取數(shù)據(jù)并附帶時標(biāo)；
B2校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計；
該幀由用戶數(shù)據(jù)收集計算機向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送，指示數(shù)據(jù)錄取授時儀開始錄取裝備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)錄取授時機在接收到該命令后，初始化與設(shè)備的接口，開始錄取數(shù)據(jù)；
4)錄取應(yīng)答命令
B0標(biāo)志字E2；
B1錄取狀態(tài)標(biāo)志，0下位機故障無法進行錄取；1表示已進入錄取狀態(tài)；
B2校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計；
該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，是對數(shù)據(jù)錄取命令的應(yīng)答，表示數(shù)據(jù)錄取授時儀已經(jīng)打開錄取數(shù)據(jù)接口，進入錄取狀態(tài)。用戶數(shù)據(jù)收集計算機在接收到該命令后，可以開始接收上報的錄取數(shù)據(jù)；
5)數(shù)據(jù)錄取授時機上報的錄取數(shù)據(jù)
B0-Bn-1錄取幀標(biāo)志字，從開機詢問命令獲得的錄取幀標(biāo)志字；
Bn-Bn+x錄取的內(nèi)容，從設(shè)備接收的幀除錄取幀標(biāo)志字外的所有數(shù)據(jù)；
Bn+x+1-Bn+x+5時標(biāo)，結(jié)構(gòu)為時(1b)、分(1b)、秒(3b)，秒精確到小數(shù)點第4位，其中第1字節(jié)表示小數(shù)點右邊的數(shù)值，第2、3字節(jié)表示小數(shù)點左邊的數(shù)值。不要求時標(biāo)時，該字段的值全為0；
Bn+x+6校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計；
該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，上報從設(shè)備錄取的附帶時標(biāo)數(shù)據(jù)；
6)錄取停止命令，
B0標(biāo)志字F4；
B1保留字節(jié)0，無實際意義，內(nèi)容為0，預(yù)留備用；
B2校驗和，除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計；
該幀由用戶數(shù)據(jù)收集計算機向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送，命令停止數(shù)據(jù)的錄?。?br> 7)停止應(yīng)答命令
B0標(biāo)志字E4；
B1保留字節(jié)0無實際意義，內(nèi)容為0，預(yù)留備用。
B2校驗和除標(biāo)志字外所有字節(jié)逐一相加，溢出不計；
該幀由數(shù)據(jù)錄取授時儀向用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送，表明授時機已關(guān)閉接口，停止數(shù)據(jù)的錄取。
3.一種如權(quán)利要求1所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，其特征在于系統(tǒng)硬件包括GPS天線、GPS授時板、錄取控制板、封裝盒、供電電池、整流電源和通信電纜；GPS天線通過GPS授時板提供的PPS信號連接錄取控制板；錄取控制板通過接口由通信電纜分別連接被錄取設(shè)備和用戶數(shù)據(jù)收集計算機，其供電由供電電池或整流電源供給。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，其特征在于錄取控制板的邏輯結(jié)構(gòu)包括一個以上的錄取控制板RS232接口、電平轉(zhuǎn)換單元、本地時鐘源、直流穩(wěn)壓電路、中心處理器和調(diào)試接口電路；
所述的錄取控制板RS232接口電路連接被錄取設(shè)備、用戶數(shù)據(jù)收集計算機及封裝的GPS授時板；
所述的電平轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換秒脈沖為內(nèi)部總線電壓并觸發(fā)中央處理器中斷來校準(zhǔn)錄取控制板的本地時鐘；
所述的本地時鐘源為高精度晶振電路，該電路在為中心處理器提供主頻的同時，也和中心處理器的計數(shù)器一起構(gòu)成了錄取控制板的本地時鐘；
所述的直流穩(wěn)壓電路為錄取控制板和GPS授時板提供直流穩(wěn)壓源。
5.根據(jù)權(quán)利要求3、4所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，其特征在于錄取控制板的電路具有
GPS授時板通過GPS天線提供的PPS信號，通過IC6緩沖驅(qū)動器74HC244的電平轉(zhuǎn)換電路后，接入IC2中心處理器MB90F591A的INT0口產(chǎn)生中斷；轉(zhuǎn)換PPS信號為內(nèi)部總線電平并輸出，同時連接芯片通信信號和電源以及LED指示燈，當(dāng)錄取控制板通電時，LED燈點亮，有數(shù)據(jù)通信時，LED燈閃爍；
串口時間信息通過PPS接口連接到錄取控制板的IC2中心處理器MB90F591A的1PPS端，中心處理器MB90F591A外接4M晶振、內(nèi)部機器頻率16MHz、最小指令執(zhí)行時間62.5ns；
IC2中央處理器MB90F591A的com0收、發(fā)端口分別為SIN0和SOUT0，在接口J8和IC2之間通過IC3串行接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動，完成com0口的通信功能；J8是com0的接口，連接被錄取設(shè)備測試口，引腳2，3分別為com0收、發(fā)引腳，腳5接地，其中com0也可為燒寫程序接口；
IC2中央處理器MB90F591A的com1收、發(fā)端口分別為SIN1和SOUT1，在接口J4和IC2之間通過IC4串行接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動，完成com1口的通信功能；J4是com1的接口，連接GPS授時板；引腳2、5分別為com1收、發(fā)引腳，引腳3接入GPS授時板的PPS信號，引腳4接地；
IC2中央處理器MB90F591A的com2收、發(fā)端口分別為SIN2和SOUT2，在J5和IC2之間通過IC5串行接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換和信號驅(qū)動，完成com2口的通信功能；J5是com2的接口，連接用戶數(shù)據(jù)收集計算機；引腳2，3分別為com2收、發(fā)引腳，引腳5接地，通信電纜為三線制串行通信線纜；
GPS授時板的PPS信號通過IC6芯片74HC244進行總線信號驅(qū)動并輸入IC2中央處理器的INT0端口，產(chǎn)生中斷信號；
IC2的芯片RST端由電容C12和電阻R14組成典型的上電復(fù)位電路，當(dāng)電路板加電時，給芯片復(fù)位信號；
IC2的芯片端85、86端接的是接地電阻R14和R15，85、86端為普通IO口，保持長低電平，是單片機軟件需要這兩個端口保持輸入為“0”；
IC2的芯片端1，連接com2的用戶接收數(shù)據(jù)計算機的RTS請求發(fā)送信號；
電源由市電通過整流提供直流輸出與12V直流電池供電，通過二極管D1、D2整流穩(wěn)壓，IC1直流電壓轉(zhuǎn)換模塊PKF2111PI將外部12V直流輸入轉(zhuǎn)換為2路5V直流輸出，通過接口J2、J3分別給錄取控制板和GPS授時板供電。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，其特征在于主機盒采用鋁合金壓制盒，安裝散熱片，內(nèi)裝錄取控制板和GPS授時板；
主機盒的前面板上設(shè)置有開關(guān)(8)KNX303，標(biāo)識工作/下載；指示燈(9)直徑3mm雙色，帶燈座，標(biāo)識指示燈；計算機接口(10)DB9ZJ，標(biāo)識計算機；設(shè)備接口(11)DB9ZJ，標(biāo)識設(shè)備接口；后面板上設(shè)置有電源口(12)Y4M4，標(biāo)識電源；GPS數(shù)據(jù)輸出口(14)DB9ZJ，標(biāo)識GPS；天線接入口(13)TNC-KF3，標(biāo)識天線；1PPS輸出口(15)BNC-KF3，標(biāo)識1PPS。
7.一種實施如權(quán)利要求1所述的高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀的系統(tǒng)軟件其特征在于其包括數(shù)據(jù)錄取軟件和錄取控制軟件
1)、數(shù)據(jù)錄取軟件為嵌入式主控軟件，運行于錄取控制板中心處理器，完成數(shù)據(jù)錄取和授時；它通過通信協(xié)議受用戶數(shù)據(jù)收集計算機的控制，完成規(guī)定的功能；包括主控模塊、PPS中斷模塊、錄取數(shù)據(jù)中斷模塊；
主控模塊控制錄取控制板，進行計數(shù)器、串行通信等初始化工作，接收GPS授時板時間信息，接收用戶數(shù)據(jù)收集計算機命令，將錄取的設(shè)備測試數(shù)據(jù)于時標(biāo)打包形成數(shù)據(jù)幀上傳至用戶數(shù)據(jù)收集計算機；
PPS中斷模塊完成中心處理器計數(shù)器清零工作；
數(shù)據(jù)錄取中斷模塊為被錄取設(shè)備通信中斷服務(wù)程序，同時完成記錄錄取時刻的工作；
數(shù)據(jù)錄取軟件流程如下
錄取控制板加電啟動程序，首先進行初始化，包括設(shè)置GPS授時板參數(shù)、啟動本地晶振時鐘，打開與用戶數(shù)據(jù)收集計算機通信接口工作，初始化完成后，進入等待接收命令狀態(tài)，如果收到開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令，則記錄需錄取的數(shù)據(jù)幀格式，詢問GPS授時板是否定位，并向用戶數(shù)據(jù)收集計算機應(yīng)答開機詢問；如果收到數(shù)據(jù)錄取命令，則打開數(shù)據(jù)錄取端口，開始數(shù)據(jù)錄取，并打時標(biāo)，同時向數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送錄取應(yīng)答命令；在錄取到數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)和時標(biāo)進行上報；在數(shù)據(jù)錄取期間，如果收到用戶數(shù)據(jù)收集計算機的錄取停止命令，馬上關(guān)閉錄取端口，停止數(shù)據(jù)錄取，同時發(fā)送停止應(yīng)答命令；
2)、錄取控制軟件采用VC開發(fā)，運行與用戶數(shù)據(jù)收集計算機，控制數(shù)據(jù)錄取授時儀進行數(shù)據(jù)錄取并實時接收帶時標(biāo)的數(shù)據(jù)進行存儲，存儲后的數(shù)據(jù)由用戶根據(jù)實際需要進行處理；
錄取控制軟件依據(jù)用戶界面事件如鼠標(biāo)或鍵盤事件產(chǎn)生消息，驅(qū)動各模塊執(zhí)行相應(yīng)的操作；由于軟件是一個實時的控制和數(shù)據(jù)接收程序，因此在實現(xiàn)時需采用多線程技術(shù)，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、存儲由運行時創(chuàng)建的后臺輔助線程完成，主用戶界面線程完成用戶交互和數(shù)據(jù)顯示的工作；
錄取控制軟件流程如下
用戶可通過專門的設(shè)置界面設(shè)置需錄取的數(shù)據(jù)幀格式和通信速率，在用戶點擊連接“建立連接”菜單項后，軟件打開與數(shù)據(jù)錄取授時儀的通信端口，串口初始化并發(fā)送開機和錄取準(zhǔn)備詢問命令，如果授時儀無應(yīng)答則連接失敗，有應(yīng)答，則連接建立，提示用戶錄取準(zhǔn)備就緒；若GPS沒有定位，則禁止啟動數(shù)據(jù)錄取，否則允許啟動數(shù)據(jù)錄取；在數(shù)據(jù)錄取授時儀應(yīng)答GPS定位后，用戶可點擊相應(yīng)菜單項發(fā)送數(shù)據(jù)錄取命令，啟動數(shù)據(jù)錄取授時儀進行數(shù)據(jù)錄取，在接收到數(shù)據(jù)錄取授時儀的錄取應(yīng)答命令后，進行數(shù)據(jù)的接收，將接收的數(shù)據(jù)和GPS時標(biāo)信息實時顯示；
當(dāng)用戶點擊停止錄取菜單項時，軟件向數(shù)據(jù)錄取授時儀發(fā)送停止錄取命令，并存儲錄取的數(shù)據(jù)和時標(biāo)，串口關(guān)閉。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高精度數(shù)據(jù)錄取授時儀，由GPS授時板通過天線接收到精度的秒脈沖信息和絕對時間信息，傳遞給錄取控制板并校正控制板的內(nèi)部時鐘，保持控制板與絕對時的嚴(yán)格同步；錄取控制板通過通信電纜分別連接被錄取設(shè)備和用戶數(shù)據(jù)收集計算機，遵循通信協(xié)議接收用戶數(shù)據(jù)收集計算機發(fā)送的命令，向用戶數(shù)據(jù)收集計算機反饋GPS接收機狀態(tài)和GPS時間、位置信息，并設(shè)置與被錄取設(shè)備的通信速率、數(shù)據(jù)幀格式，建立與被錄取設(shè)備的通信；該授時儀器使用攜帶方便，在任何有GPS衛(wèi)星信號的地域均能工作，用于對時統(tǒng)精度要求為1×10-4秒提供異步串行測試接口，且通信速率為38400bps測試幀長度固定的真值設(shè)備或被測設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的錄取。
文檔編號H03L7/00GK101202545SQ20071018053
公開日2008年6月18日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者朱逸武, 波 謝, 黨林閣, 譚克松, 瑩 滿 申請人:中國人民解放軍63891部隊